DE102005047971B4

DE102005047971B4 - Belastungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102005047971B4
Application number: DE102005047971A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr.-Ing. Gschwind
Original assignee: Dr-Ing Gschwind Elektronik GmbH; Gschwind Elektronik Dr In GmbH
Current assignee: Dr-Ing Gschwind Elektronik GmbH; Gschwind Elektronik Dr In GmbH
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2025-10-07
Also published as: DE102005047971A1; US7603920B2; AT503927A4; US20080110282A1; AT503927B1

Abstract

Belastungsmessvorrichtung, insbesondere Wägezelle, mit
– einem oder mehreren vorzugsweise zu einer Brückenschaltung zusammengeschalteten Dehnungsmessstreifen,
– Zuleitungen zur Speisung des Dehnungsmessstreifens bzw. der Dehnungsmessstreifen und zur Signalableitung,
– einen integrierten Analog/Digitalwandler zur Umwandlung des analogen Messsignals des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens (3) in ein digitales Signal, und
– eine Busschnittstelle zum Ausgeben des digitalen Signals auf einen digitalen Bus,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zur Potenzialtrennung zwischen der Busschnittstelle und dem wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (3), wobei die Einrichtung zur Potenzialtrennung einen DC/DC-Wandler (9) umfasst, der einen Transformator (41) mit wenigstens einer Primärspule (43) und wenigstens einer Sekundärspule (45) umfasst, dessen Primärspule (43) wenigstens zwei Abschirmungen (47, 49) aufweist, die derart ausgestaltet sind, dass eine erste Abschirmung (47) eine enge kapazitive Kopplung mit der Primärspule (43) aufweist und die zweite Abschirmung (49) eine geringe kapazitive Kopplung mit der Primärspule (43) aufweist, die geringer ist als die kapazitive Kopplung...

Description

Die Erfindung betrifft eine Belastungsmessvorrichtung, insbesondere eine Wägezelle, mit einem oder mehreren vorzugsweise zu einer Brückenschaltung zusammengeschalteten Dehnungsmessstreifen und Zuleitungen zur Speisung des Dehnungsmessstreifens bzw. der Dehnungsmessstreifen und zur Signalableitung.
Belastungsmessvorrichtungen werden zum Beispiel als Wägezellen eingesetzt, um das Gewicht einer Vorrichtung, zum Beispiel von Tanks oder ähnlichem während der Verwendung überwachen zu können. Bei einer Wägezelle gemäß DE-U-29613833.9 sind dazu innerhalb eines Hohlraumes zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltete Dehnungsmessstreifen vorgesehen. Die Dehnungsmessstreifen sind an der Innenfläche eines Deckels des Hohlraumes vorgesehen. Einwirkung von äußerer Kraft auf den Deckel resultiert in an sich bekannter Weise in einem Messsignal der Brückenschaltung. Bei der beschriebenen Lösung des Standes der Technik sind zwei Dehnungsmessstreifen in der Brückenschaltung im Druckbereich und zwei weitere Dehnungsmessstreifen im Zugbereich vorgesehen.
Bei der bekannten Lösung wird das analoge Messsignal der Brückenschaltung über Durchführungsfilter durch eine elektrische leitende Abschlussplatte aus dem Hohlraum herausgeführt, zu einer Auswerteeinrichtung geleitet und dort als Analogsignal ausgewertet.
DE 29 06 669 A1 beschreibt eine Belastungsmessvorrichtung mit Dehnungsmessstreifen, bei der die Dehnungsmessstreifen und das Auswertegerät potentialfrei betrieben werden können.
Eine Belastungsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus US 2005/0137821 A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Belastungsmessvorrichtung anzugeben, die einen Anschluss an einen digitalen Messbus erlaubt, geringe Störanfälligkeit aufweist und einfach in der Anwendung und im Anschluss ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Belastungsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Insbesondere weist die erfindungsgemäße Belastungsmessvorrichtung einen integrierten Analog/Digital-Wandler zur Umwandlung des analogen Messsignals des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens in ein digitales Signal und eine Busschnittstelle zum Ausgeben des digitalen Signals auf einen digitalen Bus auf.
Die erfindungsgemäße Belastungsmessvorrichtung kann direkt an ein digitales Bussystem angeschlossen werden, so dass die Ableitung eines analogen Messsignals nicht mehr notwendig ist. Durch die Integration des Analog/Digital-Wandlers und der Busschnittstelle in der Belastungsmessvorrichtung wird der Verkabelungsaufwand und der Einfluss von Störsignalen reduziert. Insbesondere auch gegenüber Lösungen, bei denen eine externe Busschnittstelle mit einem analogen Signalausgang der Belastungsmessvorrichtung verbunden wird, reduziert sich der Verkabelungsaufwand signifikant. Der Aufbau und die Montage sind sehr einfach, da nur der Ausgang der Belastungsmessvorrichtung mit dem verwendeten Bussystem verbunden werden muss. Die Störanfälligkeit ist stark reduziert, insbesondere da digitale Signale verwendet werden.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Belastungsmessvorrichtung weist eine Busschnittstelle auf, die derart ausgestaltet ist, dass sie auch zum Zuführen von Energie zur Speisung des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens dient. Eine externe Speisung der Messanordnung ist dann nicht mehr notwendig.
Insbesondere bei der Realisierung einer Kraftmessdose, insbesondere einer Wägezelle, weist die erfindungsgemäße Belastungsmessvorrichtung ein Gehäuse auf, in dem die Dehnungsmessstreifen in an sich bekannter Weise an einer Innenfläche befestigt sind.
Die Busschnittstelle der erfindungsgemäßen Belastungsvorrichtung kann zum Beispiel zur Verbindung mit einem Profibus, einem Interbus oder Modbus ausgelegt sein. Besonders einfach und vielseitig ist die Verwendung eines Aktor/Sensor-Busses (ASI-Bus), wobei die Busschnittstelle der erfindungsgemäßen Belastungsmessvorrichtung ein AS-Interface (Aktor/Sensor-Interface, ASI) umfasst. Bei anderen Ausführungsformen kann zwischen unterschiedlichen Busprotokollen gewechselt werden.
Insbesondere ein ASI-Bus hat in der Regel keine Verbindung zur elektrischen Masse und ist somit potenzialfrei. Daher ist eine symmetrische Anordnung des Sensoranschlusses gegenüber elektrischer Masse wichtig und niedrige Kapazitäten zur elektrischen Masse sind gefordert. Zum Beispiel bei Wägezellen befinden sich die Dehnungsmessstreifen jedoch in der Regel an der Innenfläche eines geerdeten Gehäuses und sind dort zum Beispiel festgeklebt. Dabei können sich jedoch hohe Kapazitäten gegenüber elektrischer Masse ergeben, die die Eignung zum Betrieb mit einem digitalen Messbus einschränken. Unsymmetrische Einstrahlung führt zu einer verringerten elektromagnetischen Verträglichkeit.
Die erfindungsgemäße Belastungsvorrichtung weist eine Einrichtung zur Potenzialtrennung zwischen der Busschnittstelle und dem wenigstens einen Dehnungsmessstreifen auf, um zum Beispiel die Störanfälligkeit aufgrund von Signalübersprechen zu verringern. Um zu verhindern, dass hohe Kapazitäten, die zum Beispiel zwi schen den Dehnungsmessstreifen und dem Gehäuse der Belastungsmessvorrichtung auftreten können, einen negativen Einfluss auf das Bussystem haben, wird bei einer Ausführungsform die Einrichtung zur Potenzialtrennung derart ausgestaltet, dass die Koppelkapazität zwischen den durch die Einrichtung der Potenzialtrennung getrennten Bereichen kleiner als 15 pF, vorzugsweise kleiner als 10 pF ist. Auf diese Weise kommt es zu einer effektiven kapazitiven Entkopplung. Es hat sich herausgestellt, dass ein negativer Einfluss auf das Bussystem durch eine unsymmetrische Einstrahlung in die Messbrücke so verhindert bzw. vermindert werden kann.
Insbesondere bei einer Ausführungsform, bei der die Busschnittstelle auch die Speisung des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens mit Energie übernimmt, umfasst eine besondere Ausführungsform zur Potenzialtrennung einen Ringkerntransformator in dem Energiepfad zur Speisung des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens. Die geringe Koppelkapazität lässt sich u.a. durch geeignete Auswahl des Kernmaterials, zum Beispiel einem Ferritkern erzielt werden. Andere Maßnahmen sind die geeignete Auswahl des Abstandes der Spulen des Transformators von dem Kern, ein kapazitätsarmes Design der Leiterplatte, auf der die einzelnen Komponenten vorgesehen sind, und die Auswahl einer Vergussmasse mit geringer Koppelkapazität für den Ringkerntransformator und/oder eine getrennte Abschirmung der Primärspule und der Sekundärspule bzw. der Primärspulen und der Sekundärspulen, wobei außerdem der Primärschirm mit einer Leitung der Primärwicklung und der Sekundärschirm mit einer Leitung der Sekundärwicklung verbunden werden kann.
Bei einer besonderen Ausführungsform wird eine geringe Koppelkapazität u.a. dadurch erreicht, dass die wenigstens eine Primärspule und die wenigstens eine Sekundärspule des Ringkerntransformators räumlich derart voneinander getrennt angeordnet sind, dass die Koppelkapazität die gewünschte geringe Größe hat. Dazu können insbesondere die Wicklungen der einzelnen Spulen konzentriert auf den Ringkern des Transformators aufgewickelt werden, so dass die Drähte der einzelnen Wicklungen im Wesentlichen übereinander und nicht nebeneinander angeordnet sind. Diese Maßnahme kann sowohl für die Primärspulen einerseits als auch für die Sekundärspulen andererseits angewendet werden.
Erfindungsgemäß ist die Primärwicklung des Transformators auf besondere Weise abgeschirmt. Es sind zwei Abschirmungen vorgesehen, von denen eine eine enge kapazitive Kopplung mit der Primärwicklung und die andere eine geringere kapazitive Kopplung mit der Primärwicklung aufweist, wobei zur effektiven kapazitiven Entkopplung erfindungsgemäß die zweite Abschirmung mit einer geringeren kapazitiven Kopplung zweiteilig ausgebildet ist, wobei die zwei Teile elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein Teil der zweiten Abschirmung innerhalb der Primärwicklung der Primärspule und der zweite Teil außerhalb der Primärwicklung, besonders bevorzugt auch außerhalb der ersten Abschirmung angeordnet ist.
Um die Koppelkapazität weiter zu reduzieren, zum Beispiel auf Werte kleiner 1 pF, werden die erste und die zweite Abschirmung vorteilhafterweise auf gleichem elektrischen Potenzial gehalten, so dass kein Ladungsverschiebungsstrom zwischen den beiden Abschirmungen fließen kann. Dadurch sind der Ringkern und die Sekundärwicklung für die Primärwicklung des Ringkerntransformators elektrisch nicht mehr sichtbar, so dass die Messanordnung mit dem mindestens einen Dehnungsmessstreifen auf der Sekundärseite des Ringkerntransformators geerdet sein kann, ohne dass ein Digitalbus beeinflusst werden würde, der gegebenenfalls an der Primärseite angekoppelt ist.
Zur Potenzialregelung der beiden Abschirmungen kann eine aktive Schirmsteuerung vorgesehen sein.
Selbstverständlich können die genannten Maßnahmen zur kapazitiven Entkopplung auch kombiniert werden.
Zur Übermittlung der digitalen Messsignale zum Beispiel vom Analog/Digital-Wandler zur Busschnittstelle bzw. einem zwischengeschalteten Mikroprozessor kann bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Digitalisolator eingesetzt werden, der eine geringe Koppelkapazität, bevorzugt kleiner als 4 pF, besonders bevorzugt kleiner als 2 pF aufweist. Ein solcher Digitalisolator kann umgekehrt auch zur Übermittlung von Steuersignalen an die Messanordnung verwendet werden. Als Digitalisolatoren können zum Beispiel Optokoppler eingesetzt werden. Besonders effektiv können Luftspulenübertrager eingesetzt werden. Hier ist es möglich, Transformatoren auf Chipbasis einzusetzen, die bei entsprechender Ausgestaltung zum Beispiel eine bis zu 10-fach höhere Geschwindigkeit bei einem bis zu 10-fach reduzierten Energiebedarf bei gleichzeitig linearer Übertragungsfunktion aufweisen, ohne dass die Isolationsfestigkeit zu klein wäre. Es können zum Beispiel Isolationsfestigkeiten von 5 kV vorgesehen werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die gesamte Belastungsmessvorrichtung mit Ausnahme der Busschnittstelle in einem Gehäuse integriert ist. Das Gehäuse kann hermetisch abgeschlossen sein, um den Einfluss von Umwelteinflüssen zu begrenzen. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Komponenten der Busschnittstelle mit Ausnahme des Busanschlusses selbst ebenfalls in dem Gehäuse mit integriert sind.
Eine besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Belastungsmessvorrichtung weist eine Echtzeituhr mit einer Einrichtung zur Fehlerspeicherung auf. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass für den Fall eines Fehlers während des Betriebes der Fehler zeitlich zugeordnet werden kann. Auch kann in einem möglichen Garantiefall geprüft werden, ob die Vorrichtung außerhalb von zulässigen Parameterbereichen betrieben worden ist oder nicht.
Eine weitere besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Belastungsmessvorrichtung weist eine Einrichtung zur Temperaturmessung der Sensorumgebung auf. Auf diese Weise ist es möglich, mittels entsprechender Software Temperaturfehler der Messkette zu erkennen und ggf. zu kompensieren.
Die erfindungsgemäße Belastungsmessvorrichtung kann einen Mikroprozessor aufweisen, mit dem die Steuerung vorgenommen wird. Vorzugsweise weist der Mikroprozessor einen Bootsektor auf, mit dessen Hilfe eine Programmierung, zum Beispiel ein Software-Update, durchgeführt werden kann. Insbesondere wenn eine Belastungsmessvorrichtung realisiert werden soll, die hermetisch abgeschlossen ist, ist eine solche von außen mögliche Programmierung besonders vorteilhaft.
Der Mikroprozessor kann zum Beispiel zwischen der Busschnittstelle und der Einrichtung zur Potenzialtrennung vorgesehen sein.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert, die schematisch besondere Ausführungsformen darstellen. Dabei zeigt
1 den schematischen Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Belastungsmessvorrichtung,
2 ein Detail einer Einrichtung zur Potenzialtrennung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, und
3 einen Schaltplan einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Belastungsmessvorrichtung.
In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Brückenschaltung aus vier Dehnungsmessstreifen 3, wie sie zum Beispiel in Wägezellen realisiert ist. In der Regel sind zwei dieser Dehnungsmessstreifen im Druckbereich und zwei weitere der Dehnungsmessstreifen im Zugbereich des Deckels eines hermetisch abgeschlossenen und in der schematischen Darstellung der 1 nicht gezeigten Gehäuses vorgesehen. Druck auf diesen Deckel führt zu einer Änderung des Widerstandes, der zur Angabe der Belastung ausgewertet werden kann. Über Zuleitungen 5 ist die Brückenschaltung 1 mit einer Verarbeitungseinrichtung 7 verbunden, die einen Analog/Digital-Wandler umfasst. Zusätzlich zu der Analog/Digital-Wandlung kann in der Verarbeitungseinrichtung 7 eine Verstärkung und/oder eine Filterung des Signals erfolgen. Nicht gezeigt ist eine Einrichtung zur Temperaturmessung, die ebenfalls innerhalb des Gehäuses vorgesehen sein kann und deren Signal ebenfalls in digitaler Form weitergegeben wird. Die digitalen Signale der Messbrücke 1, der Temperaturmesseinrichtung und ggf. weiterer Sensoreinrichtungen werden über den Signalpfad 11 an einen Mikroprozessor 13 gegeben.
Andererseits kann der Mikroprozessor 13 über den Signalpfad 11 Steuersignale an die Verarbeitungseinrichtung 7 übermitteln. So kann zum Beispiel ein Signal des Mikroprozessors verwendet werden, um eine in der schematischen Darstellung der 1 nicht gezeigte Tarier-Vorrichtung zu steuern.
In dem Signalpfad 11 ist wenigstens ein Digitalisolator 10 vorgesehen, der eine Potenzialtrennung zur Verfügung stellt. Es kann sich dabei zum Beispiel um einen Optokoppler handeln, der inhärent eine Potenzialtrennung zur Verfügung stellt. Besonders einfach ist die Verwendung eines Luftspulenübertragers, zum Beispiel eines iCoupler^® der Firma Analog Devices, insbesondere eines iCoupler^® AduM240x1.
Der Mikroprozessor 13 ist mit einer Echtzeituhr 15 mit einem Fehlerspeicher verbunden, die eine Überwachung der einzelnen Aktionen ermöglichen, um zum Beispiel in einem Garantiefall aufzeigen zu können, ob die Vorrichtung im zulässigen Parameterbereich betrieben worden ist, und aufgetretene Fehler zeitlich zuordnen zu können. Um die Unabhängigkeit der Echtzeituhr zu gewährleisten, kann ein Batteriepuffer 31 vorgesehen sein.
Die in 1 links von der gedachten Linie 33 angeordneten Elemente werden im Folgenden als Busschnittstelle dieser Ausführungsform bezeichnet.
Der Mikroprozessor 13 gibt über den Pfad 19 Messsignale an einen Busbaustein 17, der unter anderem auch einen Entstörfilter und/oder eine Schutzbeschaltung gegen Überspannung aufweisen kann. Doppelpfeil 21 bezeichnet den Busanschluss der Busschnittstelle. Insbesondere ist die Verwendung eines Aktor/Sensor-Busses geeignet, so dass die Busschnittstelle als AS-Interface ausgestaltet ist.
Bei anderen Ausführungsformen kann der Busbaustein zum Anschluss unterschiedlicher Bussysteme bzw. zum Betrieb mit unterschriedlichen Busprotokollen umgeschaltet werden.
Die Wägesignale können zum Beispiel über einen 16-Bit-Wert übertragen werden.
Aus dem Busanschluss 21 oder aus dem Busbaustein 17 wird Hilfsenergie aus dem Bussignal abgeleitet und über den Energiepfad 23 als elektrische Versorgung zur Verfügung gestellt. Eine Abzweigung 25 dient der Versorgung des Mikroprozessors 13 mit Energie. Eine Abzweigung 27 dient dazu, möglicherweise notwendige Energie für die Verarbeitungseinrichtung 7, also insbesondere für die Analog/Digital-Wandlung, ggf. für die Verstärkung, die Tarierung, die Filterung oder die Temperaturmessung zur Verfügung zu stellen. Abzweigung 29 symbolisiert die Versorgung der Messbrücke 1 und ist nur schematisch zu verstehen, um den Energiepfad darzustellen. Die Versorgung der Messbrücke 1 kann zum Beispiel über die Verarbeitungseinrichtung 7 erfolgen. Um die Potenzialtrennung zwischen Bus und Messbrücke zu gewährleisten, ist ein DC/DC-Wandler 9 vorgesehen, der bei einer Ausführungsform als Ringkerntransformator ausgebildet ist.
Die gesamte Anordnung der 1 mit Ausnahme des Busanschlusses 21 kann innerhalb eines Gehäuses vorgesehen sein, so dass eine kompakte und robuste Anordnung gewährleistet ist.
Die verwendeten Spulen des Ringkerntransformators können zum Beispiel 10 bis 20 Windungen aufweisen, wobei auf die Sekundärseite zwei Spulen und auf der Primärseite drei Spulen vorgesehen sind. Sekundärseitig sind diese Spulen für Zweiweggleichrichtung geschaltet und primärseitig zur Erzeugung eines Oszillatoreffektes. Es sind jedoch auch andere Gestaltungen von Ringkerntransformatoren mit zum Beispiel nur einer Primärspule und nur einer Sekundärspule möglich. Die Primärspule und die Sekundärspulen sind derart räumlich voneinander getrennt, dass sich eine geringe Koppelkapazität von weniger als 10 pF ergibt. Die Primärspule einerseits und die Sekundärspule andererseits können dabei besonders ausgestaltet sein, um eine räumliche Trennung effektiv zu gewährleisten. Dazu können die Wicklungen der einzelnen Spulen derart konzentriert auf den Ringkern aufgebracht werden, dass die Drähte der einzelnen Spulen zum großen Teil nicht nebeneinander, sondern übereinander angeordnet sind, so dass der Abstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung auf dem Ringkern möglichst groß ist.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform weist einen Ringkerntransformator mit besonderer Ausgestaltung der Abschirmungen auf, wie sie in 2 gezeigt ist. Diese Figur zeigt den Ringkerntransformator 41 im Detail. Der Ringkern 77 umfasst zum Beispiel ein Kernmaterial mit hohem spezifischen Widerstand von 10⁵ Ωm, zum Beispiel das Kernmaterial M13 der Firma Epcos. Darauf aufgebracht ist eine Sekundärwicklung 45, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Wicklungen umfasst. Die Primärwicklung 43 umfasst ebenfalls drei Wicklungen, wobei die Anzahl der Wicklungen jeweils an die notwendigen Gegebenheiten angepasst werden kann. Die Primärwicklung 43 ist von elektrischen Abschirmungen 47, 49 abgeschirmt, wobei die zweite Abschirmung 49 zweiteilig ausgestaltet ist. Die erste Abschirmung 47 ist über eine dünne Isolationsschicht 75 auf der Primärwicklung 43 aufgebracht, so dass sich eine enge kapazitive Kopp lung C₁ ergibt. Diese Anordnung ist sowohl innen als auch außen von dickeren Isolationsschichten 71 und 73 umgeben, die wiederum von den zwei Teilen der zweiten Abschirmung 49 umgeben sind. Die zweite Abschirmung 49 weist daher eine geringere kapazitive Kopplung C₂ zur Primärwicklung auf.
Diese dünne Isolation 75 ist zum Beispiel 0,1 mm dick, weist aber eine Isolationsfestigkeit von 5 kV auf. Die Abschirmungen 47, 49 können zum Beispiel Kupferfolien mit Isolation umfassen, damit sich bei Überlappung der Folie keine Kurzschlusswicklung ergeben kann.
3 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Belastungsmessvorrichtung, aus der insbesondere die Beschaltung eines DC/DC-Wandlers 9 mit einem solchen Ringkerntransformator 41 erkennbar ist. Insbesondere erkennt man die Primärwicklung 43, die Sekundärwicklung 45 und die beiden Abschirmungen 47 und 49. 51 bezeichnet die sich einstellende Kapazität C₁ zwischen der Primärwicklung 43 und der ersten Abschirmung 47 und 53 die sich einstellende Kapazität C₂ zwischen der zweiten Abschirmung 49 und der Primärwicklung 43.
Die Primärwicklung 43 ist an die Busleitung 55 angeschlossen, die insofern dem primärseitigen Teil des Energiepfades 23 (1) entspricht. Die Sekundärwicklung 45 ist über einen Spannungsregler 67 mit Gleichrichtung an die Messbrücke 1 angeschlossen, die in beschriebener Weise Dehnungsmessstreifen umfasst, die an der Innenfläche des Deckels einer Wägezelle angeordnet sind. Erkennbar ist insbesondere, dass ein Anschluss der Messbrücke 1 geerdet werden kann, was durch die elektrische Masse 65 angedeutet ist. Diese Erdungsmöglichkeit ist insbesondere bei Sensor elementen vorteilhaft, die physikalisch bedingt eine enge Kopplung mit der Masse haben.
Die Schaltung der 3 stellt eine aktive Schirmsteuerung zur Verfügung. Dazu ist ein Operationsverstärker 57, zum Beispiel ein Operationsverstärker AD628 der Firma Analog Devices, vorgesehen, der von der Sekundärseite 45 des Ringkerntransformators 41 versorgt wird. Sollte der Regelhub des Operationsverstärkers 57 nicht ausreichen, kann die so zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung zum Beispiel durch eine zusätzliche Sekundärwicklung erhöht werden. Der Spannungsteiler aus den Widerständen 61 und 59, die zum Beispiel jeweils 100 kΩ betragen, bringt den Ausgang des Operationsverstärkers 57 auf die Hälfte der Versorgungsspannung, so dass eine Aussteuerung in positiver und negativer Richtung möglich ist. Die erste Abschirmung 47 wird über einen Widerstand 63 von zum Beispiel 100 MΩ auf dem Potenzial der halben Versorgungsspannung gehalten. Der Operationsverstärker ist mit einem hohen Eingangswiderstand und einer internen Schutzschaltung gegen Überspannungen ausgestaltet.
Insbesondere durch die Verwendung von Digitalisolatoren zur Übermittlung der digitalen Messsignale bzw. digitaler Steuersignale und durch den Einsatz eines DC/DC-Wandlers 9 in dem Energieversorgungspfad 23 ist gewährleistet, dass entlang der gedachten Linie 35 eine effektive Potenzialtrennung mit geringer Koppelkapazität stattfindet. Eventuell hohe Kapazitäten der den Dehnungsstreifen umfassenden Messanordnung und daraus möglicherweise resultierende negative Einflüsse unsymmetrischer Einstrahlung werden an der gedachten Linie 35 quasi "ausgeblendet", so dass der negative Einfluss auf ein Bussystem verringert bzw. verhindert wird, der an dem Busanschluss 21 (1) bzw. die Busleitung 55 (3) angeschlossen wird. Dies ermöglicht insbesondere die Verwendung eines ASI-Busses.
Der Mikroprozessor 13 kann derart ausgestaltet sein, dass durch spezielle Auswertung der Messsignale der Messbrücke 1 eine Fehlererkennung der Dehnungsmessstreifen, zum Beispiel ihre Ablösung vom Untergrund oder Drahtbruch erkannt werden kann. Es kann eine Software eingesetzt werden, die wichtige Parameter der Dehnungsmessstreifen 3, wie zum Beispiel eine Brückenverstimmung, Kennlinienfehler und Temperaturfehler bestimmt und diese Fehler durch Software kompensiert. Außerdem können die Messsignale mittels Software geglättet und weitere Störsignale eliminiert werden. Weiterhin ist es möglich, dass Fehler der Messanordnung oder ihrer Umweltbedingungen an den Busmaster gemeldet werden können.
Da interne Spannungswandler verwendet werden, ist die in der erfindungsgemäßen Belastungsmessvorrichtung verwendete Schaltung für die netzunabhängige Batteriespeisung für beliebige Einsatzorte geeignet. Dazu kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Mikroprozessor per Software in einen stromsparenden Zustand geschaltet werden kann.
Die Software kann auch derart ausgestaltet sein, dass ein Intervallbetrieb möglich ist, in dem zum Beispiel nur ein Messwert pro Stunde ermittelt wird, die später zeitzugeordnet ausgelesen werden. Dies ist insbesondere bei Batteriespeisung vorteilhaft, da der Energieaufwand verringert wird.
Der Mikroprozessor weist einen Bootsektor auf, so dass von außen jederzeit ein Software-Update durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da zum Beispiel Wägezellen hermetisch abgeschlossen sind.
Die Erfindung stellt die Integration einer digitalen Schnittstelle, insbesondere eines AS-Interfaces, in einer Wägezelle zur Verfügung. Die digitale Schnittstelle ermöglicht den Direktanschluss an einzelne Dehnungsmess streifen oder Dehnungsmessstreifen-Brückenschaltungen. Besondere Ausführungsformen gewährleisten eine geringe Koppelkapazität zwischen Bussystem und Messanordnung, so dass eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet ist. Durch "vollständiges Ausblenden" der Masse ist der Betrieb einer Messanordnung an einem digitalen Bus möglich, selbst wenn die Messanordnung eine starke galvanische oder kapazitive Verbindung mit der Masse oder Erdung hat und damit an sich für den Busbetrieb nicht oder nur unter hohem Aufwand geeignet ist. Dies ist insbesondere bei Belastungsmessvorrichtungen bzw. Wägezellen von Bedeutung, bei denen Dehnungsmessstreifen eingesetzt werden, die an der Innenfläche eines Deckels einer Messdose befestigt sind, die geerdet ist.
Der im vorliegenden Text verwendete Begriff "Belastungsmessvorrichtung" umfasst insbesondere Druckmesszellen, Kraftmessdosen und Wägezellen. Diese dienen zum Beispiel zur Überwachung des Gewichtes von Tanks oder von Bewehrungen im Tiefbau oder von Bauteilen im Maschinenbau. Entsprechend ausgestaltete erfindungsgemäße Belastungsmessvorrichtungen eignen sich auch als Sensoren in der Sicherheitstechnik, zum Beispiel als Notausschalter und/oder bei Sicherheitstüren, ggf. zum Beispiel bis hin zur Kategorie 4 nach der Norm DIN EN954-1.

1: Dehnungsmessstreifen-Messbrücke
3: Dehnungsmessstreifen
5: elektrische Zuleitungen
7: Verarbeitungseinrichtung, einen A/D-Wandler umfassend
9: DC/DC-Wandler
10: Luftspulenübertrager
11: Signalpfad
13: Mikroprozessor
15: Echtzeituhr
17: Busbaustein
19: Signalpfad
21: Busanschluss
23: Energiepfad
25, 27, 29: Abzweigungen vom Energiepfad
31: Batteriepuffer
33: Busschnittstellenabgrenzung
35: Potenzialtrennungslinie
41: Ringkerntransformator
43: Primärspule
45: Sekundärspule
47: erste Abschirmung
49: zweite Abschirmung
51: Kapazität C₁
53: Kapazität C₂
55: Busleitung
57: Operationsverstärker
59: Widerstand
61: Widerstand
63: Widerstand
65: elektrische Masse
67: Spannungsregler mit Gleichrichtung
71, 73, 75: Isolationsschichten
77: Ringkern

Claims

Belastungsmessvorrichtung, insbesondere Wägezelle, mit – einem oder mehreren vorzugsweise zu einer Brückenschaltung zusammengeschalteten Dehnungsmessstreifen, – Zuleitungen zur Speisung des Dehnungsmessstreifens bzw. der Dehnungsmessstreifen und zur Signalableitung, – einen integrierten Analog/Digitalwandler zur Umwandlung des analogen Messsignals des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens (3) in ein digitales Signal, und – eine Busschnittstelle zum Ausgeben des digitalen Signals auf einen digitalen Bus, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Potenzialtrennung zwischen der Busschnittstelle und dem wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (3), wobei die Einrichtung zur Potenzialtrennung einen DC/DC-Wandler (9) umfasst, der einen Transformator (41) mit wenigstens einer Primärspule (43) und wenigstens einer Sekundärspule (45) umfasst, dessen Primärspule (43) wenigstens zwei Abschirmungen (47, 49) aufweist, die derart ausgestaltet sind, dass eine erste Abschirmung (47) eine enge kapazitive Kopplung mit der Primärspule (43) aufweist und die zweite Abschirmung (49) eine geringe kapazitive Kopplung mit der Primärspule (43) aufweist, die geringer ist als die kapazitive Kopplung der ersten Abschirmung (47) mit der Primärspule (43), wobei die zweite Abschirmung (49) aus zwei Teilen besteht, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind und von denen der erste Teil innerhalb der Wicklung der Primärspule (43) angeordnet ist und der zweite Teil außerhalb der Wicklung der Primärspule (43) angeordnet ist.
Belastungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Busschnittstelle ein AS-Interface zum Anschluss an einen Aktor/Sensor-Bus (ASI-Bus) umfasst.
Belastungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Busschnittstelle auch zum Zuführen von Energie zur Speisung des wenigstens einen Dehnungsmessstreifens (3) ausgestaltet ist.
Belastungsmessvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Primärspule und die wenigstens eine Sekundärspule räumlich derart voneinander getrennt sind, dass die Koppelkapazität kleiner als 15 pF, vorzugsweise kleiner als 10 pF ist.
Belastungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator einen Ringkerntransformator (41) umfasst.
Belastungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil der zweiten Abschirmung (49) außerhalb der ersten Abschirmung (47) angeordnet ist.
Belastungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die zwei Abschirmungen (47, 49) auf gleichem elektrischen Potenzial liegen.
Belastungsmessvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine elektrische Schaltung zur aktiven Steuerung der zwei Abschirmungen (47, 49).
Belastungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung des digitalen Messsignals an die Busschnittstelle und/oder zur Übertragung digitaler Steuersignale wenigstens ein Digitalisolator (10) mit geringer Koppelkapazität, bevorzugt kleiner als 4 pF, besonders bevorzugt kleiner als 2 pF, vorgesehen ist.
Belastungsmessvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als der wenigstens eine Digitalisolator ein Luftspulenübertrager (10) vorgesehen ist.
Belastungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Echtzeituhr (15) mit einem Fehlerspeicher.
Belastungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Temperaturmesseinrichtung.
Belastungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Mikroprozessor (13) zur Signalverarbeitung, vorzugsweise mit einem Bootsektor zur Programmierung von außen.
Belastungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen (3) an der Innenfläche eines Gehäuses vorgesehen ist.